משרד המלחמה
DOW-UAP-D129, AAWSAP DIRD, ספינטרוניקה מתכתית, מרץ 2010
DOW-UAP-D129_AAWSAP-DIRD-Metallic-Spintronics-March-23-2010.pdf
תצוגות מהעמודים הראשונים של המסמך · בקובץ אין תמונה / רישום / קטע עיתונות.
// אין תצוגות מקדימות
הקובץ אינו מכיל תוכן ויזואלי שזוהה (תמונה / קליפינג / רישום). תוכן המסמך זמין דרך ה-OCR למטה ובהורדת המקור.
// הערת המראה
// מה תמצאו כאן?
// תקציר רשמי
מסמך זה הוא מסמך עזר מודיעיני ביטחוני (DIRD), פורמט עזר טכני שבו השתמשה סוכנות המודיעין הביטחוני (DIA) כדי לתעד ידע בסיסי בנושא מסוים לשימוש אנליטי עתידי. מוטב להבין מסמכי DIRD כתוצרי עזר וסינתזה ולא כמחקר מקורי. זהו אחד מ-38 מסמכי DIRD שהופקו במסגרת תוכנית יישומי מערכות נשק תעופתיות-חלליות מתקדמות (AAWSAP) בין 2009 ל-2011. מאחר שהיקפה של AAWSAP התיר מגוון רחב של נושאים תומכים, לא כל מסמך DIRD בסדרה עוסק ישירות במערכות תעופה וחלל או בהערכת איומים עתידיים. הסיכום שלהלן משקף את היקף ה-DIRD ואת המסגרת שבה הוצג בעת כתיבתו, ואין לקרוא אותו כמרמז על תיקוף עכשווי של הרעיונות הנדונים. DIRD זה סוקר ספינטרוניקה מתכתית, ענף באלקטרוניקה השואף להשתמש הן במטען החשמלי והן בספין המגנטי של אלקטרונים כדי לאחסן, לגלות ולעבד מידע, וטוען כי התחום עשוי להוביל להתקנים מהירים יותר, חסכוניים יותר בהספק ועמידים יותר לקרינה מאשר אלקטרוניקת מוליכים-למחצה קונבנציונלית. הדו"ח מתמקד בשתי תופעות עיקריות: התנגדות מגנטית ענקית (GMR), המאפשרת לקרוא מצבים מגנטיים באמצעות שינויים בהתנגדות החשמלית, ומומנט העברת ספין (STT), המאפשר לזרמים חשמליים לשנות את המצבים המגנטיים הללו. ה-DIRD סוקר את הפיזיקה שבבסיסן, את העבודה הניסיונית שהייתה זמינה אז ואת היישומים האפשריים בזיכרון, בחיישנים, במתנדים ובהתקני לוגיקה. המסמך מתייחס לספינטרוניקה המתכתית כתחום מבטיח, ובה בעת מדגיש כי רבים מהיישומים המתקדמים יותר שהוצעו בו עדיין דורשים פיתוח נוסף משמעותי. בוצעו השמטות כדי להגן על זהות עדי ראייה, מיקומי מתקנים ממשלתיים, או מידע פוטנציאלית רגיש על אתרים צבאיים שאינם קשורים ל-UAP. לא בוצעו השמטות בקבצים שפורסמו תחת הנחיית הנשיא טראמפ בנוגע למידע על טבעם או קיומם של מפגשים שדווחו כ-UAP או תופעות נלוות.
הצגת המקור באנגלית
// סיכום מורחב
"ספינטרוניקה מתכתית" (Metallic Spintronics) הוא דו"ח טכני בן 27 עמודים מסדרת מסמכי העזר שהפיקה סוכנות המודיעין הביטחוני (DIA) במסגרת תוכנית יישומי מערכות נשק תעופתיות-חלליות מתקדמות (AAWSAP). הדו"ח, שתאריכו לפי הרישום באתר war.gov הוא 23 במרץ 2010, סוקר את הפיזיקה והיישומים של אלקטרוניקה המבוססת על הספין של האלקטרון ולא רק על מטענו, ומתמקד בשתי תופעות: התנגדות מגנטית ענקית (GMR) ומומנט העברת ספין (STT). אין בו כל עיסוק בתצפיות, בעב"מים או ב-UAP; זהו סקר מדעי של תחום מחקר אזרחי, עם פסקת סיכום על משמעותו לתעופה ולחלל.
רקע
לפי עמוד השער, הדו"ח הוכן בידי מחלקת תמיכת הרכש (DWO-3) של משרד ההתרעה הביטחונית (Defense Warning Office), באגף הניתוח של ה-DIA. שם המחבר מופיע רק בכינוי "AAP Person 71", ופניות בנוגע למסמך מופנות למנהל התוכנית, המכונה "AAP Person 1". ההערה המנהלית מציינת כי זהו אחד מסדרת דוחות טכנולוגיה מתקדמת שהופקו בשנת הכספים 2009 במסגרת התוכנית, הנקראת במסמך עצמו AAWSA, וכן אזהרת זכויות יוצרים האוסרת הפצה נוספת של התצלומים שבו. כל עמודי הגוף מסומנים "בלמ"ס / לשימוש רשמי בלבד" (UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY).
כפי שמסביר התיאור הרשמי, מסמכי DIRD הם תוצרי עזר וסינתזה המסכמים ידע קיים בתחום, ולא מחקר מקורי. הדו"ח הזה בנוי כמו סקירה אקדמית: מבוא, שלושה פרקים טכניים, פרק סיכום ורשימת מקורות הכוללת כ-97 הפניות לספרות המדעית.
מה כתוב במסמך
מבוא: למה ספינטרוניקה
המבוא פותח בכך שההתקדמות המהירה של תעשיית המחשבים ב-40 השנים האחרונות נשענה על מזעור רכיבים, וכי המשך המזעור נתקל בקשיים, ובראשם פליטת חום גבוהה. ספינטרוניקה, קיצור של "אלקטרוניקה מבוססת ספין", מוצגת כטכנולוגיה ננומטרית שבה המידע נישא בספין הפנימי של האלקטרון. לפי הדו"ח, שינוי הספין מהיר יותר ודורש פחות הספק מאשר הזזת האלקטרון, ולכן התקנים כאלה עשויים להציע מהירות עיבוד גבוהה יותר, צריכת חשמל נמוכה יותר ואולי גם חישובים קוונטיים חדשים.
המחבר מחלק את התחום לשלושה תת-תחומים: חיפוש חומרים שהם גם מגנטיים וגם מוליכים-למחצה; אפקטים חדשים של הולכה מגנטית במתכות פרומגנטיות; ושיטות לשליטה בספין של אלקטרונים בודדים. הוא מציין שרוב התקני הספינטרוניקה מבוססי מוליכים-למחצה עדיין תיאורטיים, ולכן הדו"ח מתמקד במערכות מתכתיות, בתת-התחום השני והשלישי. נכתב שהתחום השני ידע "תקופה חסרת תקדים של גילויים" ב-20 השנים האחרונות, כולל גילוי GMR, שזכה בפרס נובל לפיזיקה ב-2007.
פרק 2 - התנגדות מגנטית ענקית (GMR)
GMR מוגדרת כירידה חדה בהתנגדות של רב-שכבה מגנטית, כלומר ערימה של שכבות אטומיות דקות של חומר פרומגנטי לסירוגין עם חומר לא מגנטי, כשמפעילים עליה שדה מגנטי חיצוני. הדו"ח מתאר שתי שיטות הכנה עיקריות: התזה (sputtering), שבה אטומים נעקרים ממטרה בהפצצת חלקיקים ומשקעים באנרגיה של כ-30 אלקטרון-וולט, ואפיטקסיה בקרן מולקולרית (MBE), איטית יותר אך באנרגיה של כ-0.1 אלקטרון-וולט, המתאימה לגידול שכבות גבישיות. התצפית המקורית נעשתה על רב-שכבות ברזל-כרום שגודלו ב-MBE, ומחקרים מאוחרים על שכבות קובלט-נחושת מותזות הראו בטמפרטורת החדר התנגדות מגנטית גדולה פי 3 עד 4 מזו של ברזל-כרום ופי 13 מזו של שכבות הפרמאלוי ששימשו אז בראשי קריאה. לפי הדו"ח, הפער הזה "קבע מראש" את מקומה של GMR בטכנולוגיית ההקלטה המגנטית.
ההסבר הפיזיקלי ניתן במונחי "מודל שני הזרמים", לפי הצעתו של מוט (Mott): אלקטרונים בעלי ספין מעלה וספין מטה נושאים זרם כמעט בנפרד, ואלקטרון מתפזר הרבה יותר בשכבה מגנטית שמגנטיזציה שלה הפוכה לספין שלו. כשהשכבות הסמוכות ממוגנטות בכיוונים מנוגדים, שני הערוצים מתפזרים באותה מידה וההתנגדות גבוהה; כשהשדה מיישר אותן במקביל, נפתח ערוץ אחד בהתנגדות נמוכה ש"מקצר" את הזרם. הדו"ח מביא את הנוסחאות לשני המצבים ושתי הגדרות מקובלות לגודל האפקט, ומבחין בין שתי גאומטריות מדידה: זרם במישור השכבות (CIP), שבה נערכים רוב הניסויים כי קל למדוד, וזרם ניצב לשכבות (CPP), הדורשת טכניקות מיוחדות למדידת התנגדויות זעירות, מיקרו-ייצור או מגע נקודתי.
בסעיף היישומים מתואר "שסתום הספין" (spin valve), חיישן של שתי שכבות פרומגנטיות ומרווח דק ביניהן, שבו שכבה אחת "ננעצת" בעזרת שכבה אנטי-פרומגנטית סמוכה, בתופעה המכונה "הטיית חילוף" (exchange bias). זהו רכיב הקריאה בכוננים קשיחים, היישום המסחרי הגדול הראשון של GMR. יישומים נוספים שהדו"ח מונה: מעקב אחר סיבוב גלגל שיניים במכונות, מדידת זרם חשמלי דרך השדה המגנטי שהוא יוצר, מבודדים גלווניים להעברת אותות בתדר גבוה בין מעגלים מבודדים, וזיכרון גישה אקראית לא נדיף.
פרק 3 - מומנט העברת ספין (STT)
STT מוצג כתופעה ההפוכה: זרם חשמלי בצפיפות גבוהה מאוד משנה את המצב המגנטי של רב-השכבה, גורם למגנטיזציה להתהפך או לבצע נקיפה (precession), בסקאלה של ננומטרים ופיקושניות. התופעה נחזתה ב-1996, והתצפית הראשונה בה מיוחסת בדו"ח ל-Tsoi ועמיתיו, שהזרימו זרם לרב-שכבה קובלט-נחושת דרך מגע נקודתי מכני: חוט נחושת מחודד שנוגע בשכבה ויוצר מגע קטן מ-10 ננומטר, וכך מאפשר צפיפויות זרם מעל 10 בחזקת 12 אמפר למטר רבוע. המחבר מכנה את המגע הנקודתי "הגשש הקטן ביותר של STT כיום", ומונה שיטות נוספות: מגעים ליתוגרפיים, צמתי מנגניט, ננו-חוטים שגודלו אלקטרוכימית, ננו-עמודים, צמתי מנהור ומבני מוליכים-למחצה.
המנגנון מוסבר בשימור תנע זוויתי: אלקטרון שעובר משכבה לא מגנטית לפרומגנט מסובב את הספין שלו לכיוון המגנטיזציה, ולפי החוק השלישי של ניוטון מופעל מומנט נגדי על המגנטיזציה. אלקטרון בודד זניח, אך בזרם צפוף מאוד ההשפעה המצטברת נעשית משמעותית. הדו"ח מתאר את המבנה הניסיוני הטיפוסי: שכבה "קשה" המקטבת את הזרם, מרווח דק ושכבה "חופשית" המגיבה, ומסביר בעזרת תמונה של סלונצ'בסקי (Slonczewski) את תנועת "גלגל הרוח" של שתי השכבות ואת התלות בכיוון הזרם, שהיא סימן ההיכר הניסויי של התופעה.
בסעיף הניסויים מוצגת משוואת לנדאו-ליפשיץ-גילברט עם שלושה מומנטים: השדה האפקטיבי, הריסון ומומנט ה-STT. מעל זרם קריטי, ה-STT גובר על הריסון ומביא לנקיפה יציבה או להיפוך המגנטיזציה. הדו"ח מביא דוגמאות: שיא בהתנגדות הדיפרנציאלית במגע נקודתי בשדה של 2 טסלה לפחות, המעיד על תחילת נקיפה; מיתוג בין שני מצבים יציבים בננו-עמוד פרמאלוי-נחושת בחתך של 40 על 120 ננומטר רבוע; עדות ראשונה לנקיפה בתדרים של עשרות גיגה-הרץ, שהתקבלה כשמגע נקודתי הוצב בחלל מיקרוגל של ספקטרומטר תהודת ספין אלקטרונית; מדידה ישירה של מתח מתנודד בננו-עמוד בתגובה לפולס של 335 מילי-וולט בשדה של 630 ארסטד; ומיקרוסקופיית רנטגן סינכרוטרונית שצילמה את שדה המגנטיזציה בשכבה חופשית של ננו-עמוד בגודל 100 על 150 ננומטר רבוע, ברזולוציה מרחבית של כ-30 ננומטר ורזולוציית זמן של כ-100 פיקושניות. לדברי המחבר, ההבנה המפורטת של STT "עדיין נתונה בוויכוח".
היישומים של STT שבהם דן הדו"ח:
- מתנדים ננומטריים הנשלטים בזרם ישר, הניתנים לכוונון מכמה גיגה-הרץ ועד יותר מ-100 גיגה-הרץ ואולי עד תחום הטרה-הרץ, עם רוחב קו של 2 מגה-הרץ ופקטור איכות מעל 18,000; שימושים אפשריים במשדרים-מקלטים ובתקשורת בין שבבים ובתוך שבב, כולל מעגלי לוגיקה עם "אפיק גלי ספין".
- זיכרון STT-MRAM, שבו הכתיבה נעשית בזרם העובר ישירות דרך רכיב האחסון במקום בשדה מגנטי של קווי כתיבה. הדו"ח מסביר שבזיכרון MRAM רגיל השדה דועך לאט ועלול להשפיע על תאים שכנים, ולכן קשה למזער אותו, בעוד ש-STT-MRAM מבטל את הצורך בקווי הכתיבה ומאפשר זיכרון צפוף יותר.
- הזזת דפנות תחום מגנטיות בזרם (CIDWM), שנחזתה כבר ב-1978 בידי לוק ברז'ה (Luc Berger), והרעיון של "זיכרון מסלול מרוץ" (racetrack): ננו-חוט פרומגנטי שבו המידע מקודד כרצף תחומים מגנטיים, ופולסים של זרם מזיזים את כל הרצף אל מול ראשי קריאה וכתיבה, בלי חלקים נעים. לפי הדו"ח, מערכים אנכיים של חוטים כאלה יכולים להגיע לצפיפות אחסון גבוהה מזו של זיכרון הבזק, בביצועים טובים בהרבה מכונן קשיח.
פרק 4 - ספינטרוניקה במתכות אנטי-פרומגנטיות
הפרק דן בתחזית של מקדונלד (MacDonald) ועמיתיו שאפקטים דומים ל-GMR ול-STT יופיעו גם כשמחליפים את השכבות הפרומגנטיות בשכבות אנטי-פרומגנטיות. היתרונות שהדו"ח מונה: זרם קריטי נמוך יותר לשינוי הסדר המגנטי (הערכה של כ-10 בחזקת 9 אמפר למטר רבוע לעומת כ-10 בחזקת 11 בשכבות פרומגנטיות), כי המומנט פועל על כל נפח החומר; וביטול השפעת צורת הרכיב על היציבות המגנטית, מה שעשוי להקל על ייצור. המחבר מסייג שכל החישובים נעשו לדגימות מושלמות ותלויים בקוהרנטיות קוונטית, ושאי-סדר מחליש את האפקטים.
בסעיף על GMR אנטי-פרומגנטית (AGMR) מתואר המחקר הניסיוני היחיד הידוע למחבר, של Wei ועמיתיו, שבדק מגוון מבני שכבות ולא מצא AGMR, ככל הנראה בגלל הולכה דיפוזיבית בשכבות מותזות לא מושלמות. בסעיף על STT אנטי-פרומגנטי מסוכמים ארבעה ניסויים שפורסמו, כולם על שסתומי ספין עם הטיית חילוף, ובכולם נמצא שזרם גבוה דיו משפיע על היפוך השכבה הננעצת. הניסוי המקורי של Wei ועמיתיו מתואר בפירוט: מגע נקודתי לרב-שכבה של נחושת, קובלט-ברזל, ברזל-מנגן וכיסוי זהב בעובי 5 ננומטר, שחוממה לכ-450 קלווין וקוררה בשדה של 180 ארסטד. נמדדו 29 מגעים, ושלושה מהם, על שלוש דגימות שונות, מוצגים בדו"ח. המסקנה: אלקטרונים הזורמים מהשכבה הפרומגנטית אל האנטי-פרומגנטית מחזקים את הנעיצה, וזרם בכיוון ההפוך מחליש אותה. העובדה שההזזות הפוכות לשני כיווני הזרם מוצגת כראיה שאין מדובר בחימום ג'אול, אף שהחימום עשוי לתרום להרחבת המעברים. המחבר מוסיף שמדידות כאלה אינן מבחינות בין השפעה על נפח החומר להשפעה על פני הממשק.
פרק 5 - סיכום ומסקנות
פרק הסיכום מציב את הספינטרוניקה מול חוק מור. לפי החישוב שבדו"ח, אם הקצב יימשך, צפיפות הטרנזיסטורים תגיע לכ-10 בחזקת 13 לסנטימטר רבוע עד 2035, ובתדר שעון של כ-10 גיגה-הרץ השבב יפלוט כ-40 מגה-ואט לסנטימטר רבוע, עומס חום שלדברי המחבר יעלה על זה של נחיר רקטה. מפת הדרכים הבינלאומית למוליכים-למחצה (ITRS) כינתה את המצב הזה "החומה האדומה". הספינטרוניקה מוצגת כאפיק להתקנים שכמעט אינם פולטים אנרגיה במיתוג: GMR לגילוי אותות ספין ו-STT לעיבודם. המחבר כותב שפיתוח היישומים עשוי להוביל ל"זיכרון אוניברסלי" המשלב את העלות של DRAM, את המהירות של SRAM ואת אי-הנדיפות של זיכרון הבזק, ושאפשר אף לבצע את כל פעולות הלוגיקה בשבב באמצעות ספין במתכות. כאן מופיע הקשר היחיד לתעופה ולחלל בדו"ח: אלקטרוניקה כזו תהיה עמידה לקרינה, וזה חשוב במיוחד בחלל, שבו הקרינה פוגעת קשות באלקטרוניקה רגילה; מסעות ארוכים בחלל ייהנו מעמידות לקרינה ומצריכת הספק נמוכה, למשל זיכרון השומר מידע גם בלי מתח. הדו"ח מסתיים בהערה שהתחום "עדיין בחיתוליו" ושתופעות חדשות צפויות להתגלות.
פרטים בולטים
- המסמך אינו עוסק כלל ב-UAP; הקשר היחיד לחלל הוא העמידות האפשרית של התקני ספינטרוניקה מתכתית לקרינה במסעות ארוכים.
- הדו"ח מציין שמחקר ה-GMR זכה בפרס נובל לפיזיקה ב-2007, ושראשי קריאה מבוססי GMR כבר שינו את תעשיית האחסון.
- רב-שכבות קובלט-נחושת הראו בטמפרטורת החדר אפקט גדול פי 13 מזה של שכבות הפרמאלוי שבראשי הקריאה של אותה תקופה.
- מתנדי STT הגיעו לרוחב קו של 2 מגה-הרץ ולפקטור איכות מעל 18,000, וניתנים לכוונון מכמה גיגה-הרץ ועד יותר מ-100 גיגה-הרץ.
- התחזית בפרק הסיכום: ללא שינוי, עד 2035 שבב יפלוט כ-40 מגה-ואט לסנטימטר רבוע, יותר מנחיר רקטה.
- התופעה של הזזת דפנות תחום בזרם נחזתה כבר ב-1978, אך לפי הדו"ח הערכתה המלאה באה רק לאחרונה.
- בחומרים אנטי-פרומגנטיים הוערך הזרם הקריטי בכ-10 בחזקת 9 אמפר למטר רבוע, לעומת כ-10 בחזקת 11 בשכבות פרומגנטיות, אך הניסוי היחיד שחיפש AGMR לא מצא אותה.
מה לא נמצא במסמך
שם המחבר ושם מנהל התוכנית הוחלפו בכינויים "AAP Person 71" ו-"AAP Person 1", ובכתובת הפנייה בעמוד השער מופיעה השמטה. המסמך עצמו אינו נושא תאריך או מקום; התאריך 23 במרץ 2010 והמיקום לאס וגאס, נבדה, לקוחים מהרישום באתר war.gov. כמה איורים (מבנה רב-השכבה, עקומות ההתנגדות, צילומי הרנטגן, תאי הזיכרון ומסלול המרוץ) לא נקלטו כטקסט, וכך גם המשוואה של לנדאו-ליפשיץ-גילברט עצמה. רשימת המקורות שנקלטה חלקית בלבד, וחלק מההפניות קטועות.
בתיאור הניסוי של Wei ועמיתיו יש אי-עקביות פנימית: הכיתוב לאיור 12 מתאר את הדגימה האחרונה כבעלת שתי שכבות פרומגנטיות שוות בעובי 8 ננומטר, ואילו גוף הטקסט מתאר אותן כשכבות של 3 ננומטר; גם התפקידים של השכבות F1 ו-F2 ("חופשית" ו"ננעצת") מתחלפים בין פסקאות. בכמה מקומות המונח STT מודפס כ-"SST". הדו"ח אינו מסביר כיצד בדיוק הנושא קשור למטרות התוכנית מעבר לפסקת היישומים בחלל.
מונחים
- DIRD - מסמך עזר מודיעיני ביטחוני (Defense Intelligence Reference Document).
- GMR - התנגדות מגנטית ענקית: שינוי חד בהתנגדות של רב-שכבה מגנטית בהשפעת שדה.
- STT - מומנט העברת ספין: שינוי המצב המגנטי בעזרת זרם מקוטב-ספין.
- CIP / CPP - זרם במישור השכבות / זרם ניצב לשכבות.
- MBE - אפיטקסיה בקרן מולקולרית, שיטה לגידול שכבות גבישיות דקות.
- MRAM / STT-MRAM - זיכרון גישה אקראית מגנטי, ובגרסה החדשה כתיבה באמצעות STT.
- MTJ - צומת מנהור מגנטי, רכיב האחסון בדור הראשון של MRAM.
- AGMR - התנגדות מגנטית ענקית במבנים אנטי-פרומגנטיים, שנחזתה אך לא נמצאה בניסוי.
- EBSV - שסתום ספין עם הטיית חילוף, שבו שכבה אנטי-פרומגנטית ננעצת לשכבה פרומגנטית.
- CIDWM - הזזת דפנות תחום מגנטיות בזרם חשמלי.
// תוכן המסמך - תרגום
ספינטרוניקה מתכתית
הוכן על ידי:
אגף תמיכת רכש (DWO-3)
משרד ההתרעה הביטחוני
מנהלת הניתוח
סוכנות המודיעין הביטחוני (DIA)
מחבר:
AAP Person 71
הערה מנהלית
אזהרת זכויות יוצרים: אין היתר להפצה נוספת של התצלומים בפרסום זה.
מוצר זה הוא אחד מסדרת דוחות טכנולוגיה מתקדמת שהופקו בשנת הכספים 2009 במסגרת תוכנית יישומי מערכות נשק תעופתיות-חלליות מתקדמות (AAWSA) של משרד ההתרעה הביטחוני בסוכנות המודיעין הביטחוני. הערות או שאלות הנוגעות למסמך זה יש להפנות אל AAP Person 1, מנהל תוכנית AAWSA, סוכנות המודיעין הביטחוני, לידי: CLAR/DWO-3, בניין 6000, וושינגטון.
תוכן העניינים - איורים
איור 1. ברב-שכבה מגנטית, כמה שכבות אטומיות של חומר מגנטי מתחלפות עם שכבות של חומר לא-מגנטי - 1
איור 2. התנגדות רב-שכבה מגנטית R כפונקציה של השדה המגנטי - 2
איור 3. התנגדות דיפרנציאלית dV/dI של מגע נקודתי מכני כפונקציה של…
איור 6. מומנטי כוח הפועלים על מומנט מגנטי בשדה מגנטי ובהשפעת…
איור 9. תמונות מיקרוסקופיית רנטגן סורקת בהעברה (STXM) - 10
איור 12. תרשים סכמטי של גאומטריית המגע הנקודתי לדגם - 15
ספינטרוניקה מתכתית
1. מבוא
הקצב המהיר של ההתקדמות בתעשיית המחשבים במהלך 40 השנים האחרונות התבסס על מזעור שבבים ורכיבי מחשב אחרים. אולם מזעור נוסף ניצב בפני אתגרים רציניים - למשל, פיזור הספק גבוה והולך. כדי לשמור על הקצב, על התעשייה לחרוג משיפורים הדרגתיים ולאמץ טכנולוגיות חדשות לחלוטין. צמחה טכנולוגיה ננומטרית מבטיחה המכונה ספינטרוניקה (מונח חדש שפירושו "אלקטרוניקה מבוססת-ספין"). ספינטרוניקה עוסקת בתפקידו של ספין האלקטרון בפיזיקה של מצב מוצק. חוקרי הספינטרוניקה שואפים לפתח דור מהפכני חדש של התקנים אלקטרוניים המבוססים על ספין האלקטרונים בנוסף למטענם. בהתקנים ספינטרוניים המידע נישא לא על ידי מטען האלקטרון, כמו בשבבים קונבנציונליים, אלא על ידי הספין הפנימי שלו. שינוי הספין של אלקטרון מהיר יותר ודורש פחות הספק מאשר הזזתו. לכן, אם תימצא דרך אמינה לשלוט בספינים ולתמרן אותם, התקנים ספינטרוניים יוכלו להציע מהירויות עיבוד נתונים גבוהות יותר, צריכת חשמל נמוכה יותר ויתרונות רבים נוספים על פני שבבים קונבנציונליים, ואולי אף את היכולת לבצע חישובים קוונטיים חדשים לחלוטין.
ספינטרוניקה במערכות פרומגנטיות בנויה על מערכת משלימה של תופעות, שבהן התצורה המגנטית של המערכת משפיעה על תכונות ההולכה שלה, ולהפך. תופעות ההתנגדות המגנטית הענקית (GMR) (מקורות 1, 2) ומומנט העברת הספין (STT) (מקורות 3-5) מדגימות קשרי גומלין כאלה ברב-שכבות המורכבות משכבות פרומגנטיות (F) ולא-מגנטיות (N). הפיזיקה והיישומים…
+ // המקור באנגלית
// Excerpt (first ~3,000 chars)
Metallic Spintronics
Prepared by:
Acquisition Support Division (DW0-3)
Defense Warning Office
Directorate for Analysis
Defense Intelligence Agency
Author:
AAP Person 71
Administrative Note
COPYRIGHT WARNING: Further dissemination of the photographs In this publication Is not a.uthorlzed.
This product is one in a series of advanced technology reports produced in FY 2009
under the Defense Intelligence Agency, Defense Warning Office's Advanced Aerospace
Weapon System Applications (AAWSA) Program. Comments or questions pertaining to
this document should be addressed to!AAP Person 1
I AAWSA Program
Manager, Defense Intelligence Agency, ATTN: CLAR/DW0-3, Bldg 6000, Washington,
ii
Contents
Figures
Figure 1. In a Magnetic Multilayer, Several Atomic Layers of Magnetic Material
Alternate With Layers of Nonmagnetic Material ...................................... 1
Figure 2. Resistance of a Magnetic Multilayer R Versus Magnetic Field .................. 2
Figure 3. Differential Resistance dV/dI of a Mechanical Point Contact as a Function
Figure 6. Torques on a Magnetic Moment in a Magnetic Field and Subject to an
Figure 9. Scanning Transmission X-ray Microscopy Images ................................. 10
Figure 12. Schematic of Point Contact to Sample Geometry ................................. 15
iii
Metallic Spintroni·cs
1. Introduction
The rapid pace of progress in the computer industry over the past 40
years has been based on the miniaturization of chips and other
computer components. Further miniaturization, however, faces
serious challenges-for example, increasingly high power dissipation.
To continue on pace, the industry must g,o beyond incremental
improvements and embrace radically new technologies. A promising
nanoscale technology known as spintronics (a neologism for "spin
based electronics"} has emerged. Spintronics refers to the role an
electron spin plays in solid-state physics. Spintronics researchers
aim to develop a revolutionary new class of electronic devices based
on the spin of electrons in addition to the charge. In spintronic
devices, information is carried not by the electron's charge, as in
conventional microchips, but by the electron's intrinsic spin.
Changing the spin of an electron is faster and requires less power
than moving it. Therefore, if a reliable way could be found to control
and manipulate spins, spintronic devices could offer higher data
processing speeds, lower electricity consumption, and many other
advantages over conventional chips, perhaps including the ability to
carry out radically new quantum computations.
Spintronics in ferromagnetic systems is built on a complementary
set of phenomena in which the magnetic configuration of the system
influences its transport properties and vice versa. Giant
magnetoresistance (GMR} (Reference 1, 2} and spin-transfer-torque
(STT} (Reference 3-5} phenomena exemplify such interconnections
in multilayers composed of ferromagnetic (F} and nonmagnetic (N)
layers. The physics and app…
// Full OCR
// עוד ממהדורה 06